Мартовский кот

ПОЦ: Выпуск 5. Телескоп

Предыдущие выпуски:
Введение к пятому выпуску

Я с удивлением обнаружил, что с момента выхода последнего выпуска этого цикла прошло почти два года. Тяжеловато, конечно, продолжать после такого большого перерыва, но тем не менее. Дорвемся, наконец, до рассмотрения практических вопросов. Для этой цели выберем наиболее простую с точки зрения геометрической оптики систему - телескопическую или, как говорят, афокальную. Мы рассмотрим как работает такая система, где она находит применение, затронем вопросы касающиеся объективов и окуляров систем, кратко пробежимся по важным для телескопических систем аберрациям и, наконец, я скажу пару слов о телескопе "Хаббл".

Технический аспект. В свое время изменил адрес сервис Форкоша, который генерирует формулы. По этому поводу все формулы, которые были сделаны через его сервис (а через этот сервис были сделаны отнюдь не все формулы) слетели. Сейчас они восстановлены, поэтому первые выпуски ПОЦ полностью читаемы.


§ 5.1. Как работает простейший телескоп

Телескопы используются для того, чтобы рассматривать удаленные объекты, а это значит, что в телескоп приходит параллельный пучок лучей. В третьем выпуске, давая классификацию оптических систем, я сказал, что телескопическая система имеет и предмет и изображение в бесконечности. Для того, чтобы это осуществить, в простейшем случае достаточно использовать две линзы, помня тот факт, что лучи, проходящие через фокус затем идут параллельно оптической оси. Когда пучок параллельных лучей приходит в глаз, он фокусируется на сетчатку при помощи собирающей линзы, которая "встроена" в наш глаз.
На рис. 5.1 показана оптическая схема простейшего телескопа, состоящая из двух собирающих линз. Задний фокус одной линзы совмещен с передним фокусом другой, в результате как на входе, так и на выходе имеем параллельный пучок лучей (см. правила построения изображений в линзе, выпуск 2).

Рис. 5.1 Оптическая схема простейшего телескопа
рис. 5.1 Оптическая схема простейшего телескопа Кеплера
Эта схема уже нам встречалась при классификации оптических систем, она называется схемой Кеплера. Такая схема дает перевернутое изображение. Действительно, из рисунка видно, что луч, приходящий с левой стороны сверху, выходит с правой стороны снизу и наоборот. Телескопы такого типа, в которых для получения изображения используются линзы, называются рефракторами (от refraction - преломление). Как мы увидим дальше, более эффективными оказались телескопы с использованием зеркал - рефлекторы (от reflect - отражать).
Увеличение телескопа определяется отношением диаметров объектива и окуляра (здесь правильнее, конечно, говорить про соответствующие диафрагмы, т.е. входной и выходной зрачки, см. выпуск
3, (§ 3.3)), т.е. D1/D2.
Телескопические
системы находят применение не только при рассмотрении удаленных объектов в зрительную трубу, но также и в такой современной области техники как лазеры.


§ 5.2. Что такое объектив и окуляр

В описании работы оптических систем, таких как телескоп или микроскоп необходимо уяснить тот факт, что подобные оптические системы имеют дело с человеческим глазом. То есть они не проектируют изображение на экран как проекционные системы или на некую условную фотопластинку, как фотографические. В свою очередь надо учитывать, что глаз есть также оптическая система. Сейчас мы не будем подробно затрагивать вопрос образования изображения в глазе; вопрос о зрении очень серьезный и ему надо посвятить как минимум один, а то и несколько выпусков. Говоря коротко, глаз содержит линзу (хрусталик), которая проецирует изображение на сетчатку, которая и воспринимает изображение. Поэтому, когда в глаз направляется параллельный пучок лучей, хрусталик фокусирует его на сетчатку. Вообще, считается, что глаз в спокойном состоянии настроен именно на параллельный пучок лучей. Кстати, если хрусталик фокусирует изображение чуть ближе или чуть дальше сетчатки, возникают различные дефекты зрения (близорукость, дальнозоркость), но этого мы сейчас не будем касаться.
Итак, говоря просто, объектив - это часть оптической системы, обращенная к объекту наблюдения, а субъектив - часть, обращенная к субъекту окуляр - часть, обращенная к глазу наблюдателя. В схеме, рассмотренной на рис. 5.1 объективом является левая линза, а окуляром - правая. До того как Кеплер предложил эту схему в 1611 году, существовала схема Галилея, в котором объективом также служила собирающая линза, но вот окуляром - рассеивающая. Хотя такой телескоп давал не перевернутое (прямое) изображение, он имел весьма малое поле зрения и значительные аберрации. Поэтому эта схема используется редко - например, в театральных биноклях.
Реально схема телескопа-рефрактора выглядит примерно так
Схема телескопа-рефрактора
Рис. 5.2 Схема однолинзового и двухлинзового телескопа-рефрактора [источник]
Здесь представлены простейшие варианты. Объективы и окуляры в реальных системах могут быть довольно сложными. Различные окуляры в сборе имеют вид, показанный на рис. 5.3
Рис. 5.3. Окуляры в сборы
Рис. 5.3 Окуляры в сборе
Окуляр еще примечателен тем, что его выходной зрачок не должен, разумеется, превышать размер зрачка глаза. Это определяет минимальное увеличение, которое рационально применять для полного использования диаметра трубы. К примеру, если объектив трубы 50 мм, то при дневных наблюдениях увеличение должно быть не меньше 20-кратного, поскольку при хорошем дневном освещении размер зрачка глаза приблизительно 2...3 мм (в среднем 2.5 мм), а значит увеличение 50/2.5 = 20.

§ 5.3. Аберрации телескопических систем. Зеркальные телескопы

Важнейшие аберрации, которые следует устранять в телескопических системах это сферическая, нарушающая резкость изображения, и хроматические, создающие цветной ореол вокруг изображения и также нарушающие резкость. Кроме того, в современных окулярах необходимо также устранять астигматизм наклонных пучков и кривизну поля, поскольку они должны обладать весьма большим углом зрения.
В свое время Исаак Ньютон почему-то решил, что в системе, состоящей из линз, от хроматической аберрации избавиться невозможно; именно поэтому он предложил идею зеркального телескопа, схема которого показана на рис. 5.4.

Рис. 5.4 Схема телескопа Ньютона
Рис. 5.4 Схема телескопа Ньютона: 1 - принимающее зеркало, 2 - отражающее зеркало, 3 - окуляр.
Зеркальные системы, действительно, свободны от хроматических аберраций в силу того, что свет не проходит через стекло (не считая окуляра) и, вследствие этого, на него не влияет дисперсия (зависимость показателя преломления вещества от длины волны), поэтому они получили широкое распространение при построении астрономических телескопов. Кроме того, как показала дальнейшая практика изготовления телескопов, изготовление больших зеркал оказалось намного проще, чем изготовление больших линз, что прибавило популярности телескопам-рефлекторам. Следует, однако, отметить вот какой аспект. Хотя телескопы-рефлекторы и свободны от хроматических аберраций, при сферической форме зеркала весьма значительный вклад вносит сферическая аберрация. Это требует применения в хороших телескопах асферических зеркал, что, как мы знаем, является более дорогостоящим. Нужное качество изображения достигается при помощи взаимной компенсации аберраций, вносимых каждым из асферических зеркал.
Первый телескоп Ньютона (1672 г.) имел миниатюрные по современным меркам размеры и выглядел примерно как показано на рис. 5.5.
Рис. 5.5 Первый телескоп схемы Ньютона
Рис. 5.5 Первый телескоп схемы Ньютона
Эта схема получила развитие и существует масса усовершенствований - схемы Грегори, Кассегрена, Гершеля-Ломоносова, Риччи-Кретьена и др. Нет глубокого смысла обсуждать все эти схемы, поскольку они интересны только специалистам. Мы же разбираемся только в основополагающих принципах работы.


§ 5.4. Телескоп "Хаббл"

Телескоп "Хаббл" был назвал в честь Эдвина Хаббла, который, в свою очередь, открыл закон имени себя. Основной особенностью этого телескопа является то, что он находится в космосе, т.е. возмущения атмосферы не влияют на получаемое им изображение. Кроме того (мы этого еще не обсуждали), атмосфера Земли сильно поглощает излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, поэтому излучение соответствующих диапазонов из космоса успешно поглощается атмосферой и не доходит до телескопов, расположенных на поверхности Земли. Космический телескоп этого недостатка лишен. "Хаббл" - телескоп зеркальный, его главное зеркало показано на рис. 5.6
Рис. 5.6 Главное зеркало телескопа "Хаббл"
Рис. 5.6 Главное зеркало телесопа "Хаббл"
Для интересующихся, схема телескопа приведена на рис. 5.7

Рис. 5.7 Схема телескопа "Хаббл"
И для красоты приведем одно из изображений, полученных при помощи "Хаббла" - созвездие Cassiopeia A:

Рис. 5.8 Оптическое изображение созвездия Cassiopeia A, полученное "Хабблом"

Заключение к пятому выпуску

Вот, наконец, мы и коснулись одного из типов оптических систем. На примере телескопа мы рассмотрели некоторые типичные особенности работы таких систем - разделение на объектив и окуляр систем работающих с глазом, использование зеркальных систем.
После подобного экскурса просто необходимо перейти на нечто более серьезное, т.е. на настоящую оптику, ту, где есть наука и физика. То, что мы рассматривали до сих пор - это некая мертвая наука, почти как латынь. По крайней мере с точки зрения физики. Здесь есть еще место усовершенствованию методов и технологий, вопросам удешевления производства и тому подобное. Но дух науки покинул эту область очень давно. В дальнейшем несколько выпусков будет посвящено, собственно, оптике, а потом мы перейдем к лазерам.



Литература
  1. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003. - 848 с.
  2. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. 4-е изд. - СПб.: Лань, 2008. - 448с.


Спасибо за внимание. Жду пожеланий и замечаний.
вот интересно, но когда ж это всё читать-то :)
Спасибо большое. Было приятно почитать.
Однако уж больно сокращённо как то получилось. Почему вы не рассказали про понятие светосилы объективов, в частности, и телескопов (рефлекторов и рефракторов), вообще?
Наверное из-за подкожного желания уйти от темы геометрической оптики вообще и кондовых оптических систем, в частности. Может быть потом как-нибудь допишу. Но не обещаю.